phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4

phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH THIẾT BỊ

Họ và tên sinh viên : Nguyễn Thị Lan

Mã sinh viên : 0741120304

Giáo viên hướng dẫn: Cô Phan Thị Quyên

NỘI DUNG

I. ĐẦU ĐỀ THIẾT KẾ.

Thiết kế và tính toán hệ thống chưng luyện liên tục làm việc ở áp suất thường để phân táchhỗn hợp 2 cấu tử CS2 và CCl4 (Cacbondisunfua và Cacbontetraclorua)

Hỗn hợp đầu vào ở nhiệt độ sôi

Tháp loại: Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền

II. CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU.

• Năng suất tính theo hỗn hợp đầu: GF = 5,4 kg/s

• Nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong:

 Hỗn hợp đầu: aF = 30 % khối lượng

 Sản phẩm đỉnh: aP = 97 % khối lượng

 Sản phẩm đáy: aw = 0,5 % khối lượng

Nhận Xét Của Giáo Viên Hướng Dẫn

∗∗∗∗∗

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2015

Người nhận xét

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời kỳ đất nước đang trong quá trình phát triển theo hướng công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước thì nền công nghiệp của nước ta cũng phát triển mạnh kéo theo sự pháttriển của ngành sản xuất các hợp chất hóa học, bởi các hợp chất hóa học có ứng dụng vô cùngquan trọng để các ngành khác phát triển

Khi kinh tế phát triển, nhu cầu của con người ngày càng tăng Do vậy các sản phẩmcũng đòi hỏi cao hơn, đa dạng hơn, phong phú hơn, theo đó công nghệ sản xuất cũng phảinâng cao Trong công nghệ hóa học, việc sử dụng hóa chất có độ tinh khiết cao là yếu tố cănbản tạo ra sản phẩm có chất lượng cao Có nhiều phương pháp khác nhau để làm tăng nồng

độ, độ tinh khiết của sản phẩm tạo thành như: chưng cất, cô đặc, trích ly… Tùy vào tính chấtcủa hệ mà ta lựa chọn phương pháp thích hợp Đối với hệ Cacbondisunfua CS2 vàCacbontetraclorua CCl4 là một trong những sản phẩm của ngành công nghiệp tổng hợp hữu

cơ Chúng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hoá học nói chung cũng như công nghiệphữu cơ nói riêng như trong công nghiệp hoá dầu, dược phẩm, phẩm nhuộm,… Thông thườngtrong công nghiệp hữu cơ, CS2 và CCl4 ở dạng hỗn hợp nên muốn sử dụng chúng người ta cầnthiết phải tách riêng biệt chúng Để thực hiện điều này, người ta có thể tiến hành chưng luyệnhỗn hợp trong các tháp chưng luyện liên tục hoặc gián đoạn

Để bước đầu làm quen với công việc của một kỹ sư hóa chất là thiết kế một thiết bị hay

hệ thống thực hiện một nhiệm vụ trong sản xuất, em được nhận đồ án môn học: “Quá trình

và thiết bị Công nghệ Hóa học” Việc thực hiện đồ án này là điều rất có ích cho mỗi sinh

viên trong việc từng bước tiếp cận với thực tiễn sau khi đã hoàn thành khối lượng kiến thức

của giáo trình “Cơ sở các quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học” Trên cơ sở lượng

kiến thức đó kết hợp với kiến thức của một số môn khoa học khác có liên quan, mỗi sinh viên

sẽ tự thiết kế một thiết bị, hệ thống thiết bị thực hiện một nhiệm vụ kĩ thuật có giới hạn trongquá trình công nghệ Qua việc làm đồ án môn học này, mỗi sinh viên phải biết cách sử dụngtài liệu trong việc tra cứu, vận dụng đúng những kiến thức, quy định trong tính toán và thiết

kế, tự nâng cao kĩ năng trình bày bản thiết kế theo văn bản khoa học và nhìn nhận vấn đề mộtcách có hệ thống

PHẦN I: GIỚI THIỆU CHUNG

I LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG LUYỆN

1 Phương pháp chưng luyện.

Chưng luyện là một phương pháp chưng cất nhằm để phân tách một hỗn hợp lỏng hayhỗn hợp khí đã hóa lỏng dựa trên độ bay hơi tương đối khác nhau giữa các cấu tử thành phần

ở cùng một áp suất

Phương pháp chưng luyện này là một quá trình chưng luyện trong đó hỗn hợp được bốchơi và ngưng tụ nhiều lần, kết quả cuối cùng ở đỉnh tháp thu được một hỗn hợp gồm hầu hếtcác cấu tử dễ bay hơi và nồng độ đạt yêu cầu, phương pháp chưng luyện cho hiệu suất phântách cao, vì vậy nó được sử dụng nhiều trong thực tế như: sản xuất rượu, tách hỗn hợp dầu

mỏ, tài nguyên, sản xuất metanol, propylen…

Dựa trên các phương pháp chưng luyện liên tục, người ta đưa ra nhiều thiết bị phân tách

đa dạng như tháp chóp, tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền, tháp đĩa lỗ không có ống chảy truyền,tháp đệm… Trong đồ án này em được giao thiết kế tháp chưng luyện liên tục tháp đĩa lỗ cóống chảy truyền để phân tách 2 cấu tử CS2 và CCl4, chế độ làm việc ở áp suất thường và hỗnhợp đầu được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi

 Các phương pháp chưng cất

 Áp suất làm việc:

- Chưng cất áp suất thấp

- Chưng cất áp suất thường

- Chưng cất áp suất cao

Nguyên tắc của phương pháp này là dựa trên nhiệt độ sôi của các cấu tử nếu nhiệt độ sôi củacác cấu tử quá cao thì giảm áp suất làm việc để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử

 Nguyên lý làm việc: liên tục, gián đoạn

• Chưng gián đoạn: phương pháp này sử dụng trong các trường hợp :

- Nhiệt độ sôi của các cấu tử khác xa nhau

- Không đòi hỏi sản phẩm có độ tinh khiết cao

- Tách hỗn hợp lỏng ra khỏi tạp chất không bay hơi

- Tách sơ bộ hỗn hợp nhiều cấu tử

• Chưng liên tục: là quá trình được thực hiện liên tục nghịch dòng và nhiều đoạn

2 Thiết bị chưng luyện

Trong sản xuất thường sử dụng rất nhiều loại tháp khác nhau nhưng đều có một yêu cầu

cơ bản là diện tích tiếp xúc bề mắt pha lớn, điều này phụ thuộc độ phân tán lưu chất vàoTháp chưng cất rất phong phú về kích cỡ và ứng dụng các tháp lớn thường được sửdụng trong công nghệ lọc hóa dầu, đường kính tháp phụ thuộc lượng pha lỏng và luợng phakhí, độ tinh khiết của sản phẩm Theo khảo sát thường có 2 loại tháp chưng: tháp đĩa và thápđệm

 Tháp đĩa: thân tháp hình trụ thẳng đứng bên trong có gắn các đĩa, phân chia thân tháp thànhnhững đoạn bằng nhau Trên đĩa, pha lỏng và pha khí tiếp xúc với nhau Tùy thuộc vào cấutạo ta có các loại tháp đĩa:

 Tháp đĩa chóp :

 Tháp đĩa lỗ: trên đĩa có các lỗ có đường kính (2-12 mm) có 2 loại tháp đĩa lỗ

 Tháp đĩa lỗ có ống chảy chuyền

 Tháp đĩa lỗ không có ống chảy chuyền

 Tháp đệm: tháp hình trụ gồm nhiều đoạn nối với nhau bằng mặt bích hay hàn

Tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền có những ưu điểm khắc phục được nhiều nhược điểm của các loại tháp khác như:

Với cùng một chức năng, tổng khối lượng tháp đĩa thường nhỏ hơn tháp đệm do tháp đĩa có bề mặt tiếp xúc pha lớn và hiệu xuất làm việc cao.

Tháp đĩa thích hợp trong trường hợp có số đĩa lý thuyết hoặc số đơn vị truyền khối lớn.

Cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh, sửa chữa, làm sạch.

Trở lực thiết bị không lớn

Làm việc được với chất lỏng bẩn, khí bẩn, vận tốc khí lớn

Chính nhờ những ưu điểm trên mà tháp đĩa lỗ có ống chảy truyền được sử dụng để phân tách hỗn hợp 2 cấu tử CS 2 và CCl 4 trong trường hợp này.

III GIỚI THIỆU VỀ HỖN HỢP CHƯNG LUYỆN

- Là một chất lỏng không màu dễ bay hơi

- Hợp chất này là một chất không phân cực, thường được sử dụng làm nguyên liệu trong tổnghợp hóa hữu cơ ở cả cấp công nghiệp, làm dung môi cho các chất không phân cực như brom,iot, cao su, nhựa…

- Nó có mùi giống ete

- CS2 rất độc nên được làm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp

b Tính chất hóa học

- Các chất ái lực hạt nhân như các amin tạo ra các dithiocacbamat

2R2NH + CS2 → [R2NH2 ][R2NCS2 ]

- Các xanthat tạo thành một cách tương tự từ các alkoxit

RONa + CS2 → [Na+][ROCS2 ]Phản ứng này là nền tảng của sản xuất xenluloza tái sinh, thành phần chính của viscoza,rayon và xenlophan Cả xanthat và thioxanthat tương ứng (sinh ra từ xử lý CS2 với cácthiolat natri) đều được sử dụng như là tác nhân tách đãi trong chế biến, xử lý khoáng vật

- Sunfua natri tạo ra trithiocacbonat:

Na2S + CS2 → [Na+]2[CS32−]

- Clo hóa CS2 tạo cacbontetraclorua

CS2 + Cl2 → CCl4 + S2Cl2

3 Cacbontetraclorua CCl4

- Tên khác: Tetraclometan, Benifom, Cacbon clorua, Metan tetraclorua, Peclometan,

Cacbon tet, Tetrafom.

- CTCT:

- Tỷ trọng: 1,5842g/cm3 chất lỏng

1,831g/cm3 ở -186℃ rắn1,809 g/cm3 ở -80℃ rắn

- Là chất không bắt cháy, dùng làm chất dập lửa, làm lạnh

- Là 1 trong những chất độc mạnh nhất đối với gan và sử dụng trong nghiên cứu khoa học

để đánh giá chất bảo vệ gan

Đó chính là điểm khác biệt cơ bản giữa Br2/H2O và Br2/CCl4 khi phản ứng với toluen hay phenol

C6H5OH + Br2(H2O) → Br3-C6H2-OH + HCl

(nếu Br2 dư còn pư tiếp theo pư cộng nữa nhưng thường chỉ xét pư này)

Thông thường người ta thường điều chế CCl 4 bằng clo hóa CS 2 nên việc phân tách hai cấu tử này rất quan trọng và có ý nghĩa lớn trong thực tế Đây là hỗn hợp hai cấu tử

ở dạng lỏng tan lẫn vào nhau và có nhiệt độ sôi cách xa nhau CS 2 dễ bay hơi hơn CCl 4

nên bằng phương pháp chưng luyện này ta sẽ thu được nồng độ sản phẩm đỉnh giàu CS 2

và nồng độ sản phẩm đáy giàu CCl 4

IV VẼ VÀ THUYẾT MINH DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ

1 Dây chuyền sản xuất

Hình 1.1 Sơ đồ dây chuyền công nghê chưng luyện liên tục

Chú thích:

1.Thùng chứa hỗn hợp đầu 6.Thiết bị ngưng tụ

3.Thùng cao vị 8.Thùng chứa sản phẩm đỉnh

4.Thiết bị gia nhiệt hỗn hợp đầu 9.Thiết bị gia nhiệt sản phẩm đáy

5.Tháp chưng luyện 10.Thùng chứa sản phẩm đáy

4 Nguyên lí hoạt động

Hỗn hợp CS2 và CCl4 từ thùng chứa ban đầu (1) được bơm lên thùng cao vị bằng bơm(2) Chất lỏng trên thùng cao vị nếu vượt quá mức quy định thì sẽ được cho chảy trở lại thùngchứa (1) đầy thùng chứa Hỗn hợp CS2 – CCl4 từ thùng cao vị sẽ đi qua thiết gia nhiệt hỗnhợp đầu Ở đây hỗn hợp đầu được đun nóng đến nhiệt độ sôi bằng hơi nước bão hòa sau đó đivào tháp chưng luyện (5) tại đĩa tiếp liệu

Trong tháp chưng luyện hơi đi từ dưới lên và lỏng đi từ trên xuống, khi lỏng và hơi tiếpxúc với nhau thì quá trình chuyển khối xảy ra trong thiết bị Theo chiều cao tháp thì càng lêncao nhiệt độ càng giảm nên khi hơi đi từ dưới lên cấu tử CCl4 có nhiệt độ sôi cao hơn sẽngưng tụ lại thành lỏng đi xuống phía đáy tháp đồng thời nhiệt tỏa ra khi ngưng tụ sẽ giúplàm bay hơi CS2 Hơi ở đỉnh tháp chứa một ít CCl4 đi qua thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh(6) ngưng tụ thành lỏng và nhờ thiết bị phân chia dòng thì một phần sản đỉnh được hồi lưu trởlại tháp để tăng độ tinh khiết của sản phẩm đỉnh Phần còn lại nồng độ đạt yêu cầu được đưaqua thiết bị làm lạnh (7) để làm lạnh đến nhiệt độ thường trước khi đi vào thiết bị chứa sảnphẩm đỉnh (8) Hỗn hợp sản phẩm lỏng ở đáy tháp một phần cũng được hồi lưu trở lại, đượcđun bốc hơi nhờ thiết bị (9) và đi vào đáy thiết bị chưng luyện Phần còn lại được đưa vàothiết bị chứa sản phẩm đáy (10) Do đó hơi đi lên từ đáy tháp chứa chủ yếu là CS2 và ở đáytháp là hỗn hợp giàu CCl4 Tháp chưng luyện làm việc ở chế độ liên tục, hỗn hợp đầu vào vàsản phẩm được cung cấp và lấy ra liên tục

PHẦN III : TÍNH TOÁN KỸ THUẬT THÁP CHƯNG.

I TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU

1 Hệ cân bằng phương trình vật liệu

Sơ đồ

hệ thống tháp chưng luyện

- Phương trình cân bằng vật liệu chung cho toàn tháp

GF = GP + GW (IX.16 – 2 trang 144) (công thức IX.16 tài liệu tham khảo 2 trang 144)

- Đối với cấu tử dễ bay hơi

GF aF = GP aP + GW aw (IX.17– 2 trang 144)

- Lượng sản phẩm đỉnh là:

GP = GF (IX.18– 2 trang 144)

Theo đề bài thì : GF = 5,4 kg/s

aF = 30 (% khối lượng) = 0,3 (phần khối lượng)

aP = 97 (% khối lượng) = 0,97 (phần khối lượng)

aw = 0,5 (% khối lượng) = 0,005 (phần khối lượng)Vậy ta có GP = 5,4 = 1,65 kg/s

Lượng sản phẩm đáy là: GW= GF – GP = 5,4 – 1,65 = 3,75 kg/s

5 Chuyển đổi nồng độ

Chuyển đổi nồng độ phần khối lượng sang nồng độ phần mol

Áp dụng công thức :

Trong đó: aA, aB : là nồng độ phần khối lượng của CS2 và CCl4

MA, MB : là khối lượng mol phân tử của CS2 và CCl4

Với MA=MCS2 = 76 kg/kmol; MB = MCCl4 = 154 kg/kmol

Thay số liệu vào ta có:

P = 1,65 kg/s = = 0,021 (kmol/s)

W = 3,75 kg/s = = 0,025 (kmol/s)

V TÍNH CHỈ SỐ HỒI LƯU THÍCH HỢP:

BẢNG 1: Bảng thành phần cân bằng lỏng hơi của 2 cấu tử CS2 - CCl4 (IX.2a – 2.trang 149)

y 0 13,2 24 42,3 54,4 64,5 72,6 79,1 84,8 90,1 95 100

t 76,7 13,7 71 66 62,3 59 56,1 53,7 51,6 49,6 47,9 46,3Nội suy từ bảng số liệu ta có xF = 0,46 phần mol

⇒ yF* = 0,6936 phần mol

⇒ Rmin = = = 1,23 (IX.24 – 2.trang 158)

6 Tìm chỉ số hồi lưu thích hợp Rth

Chỉ số hồi lưu thích hợp Rth = bRmin = (1,2 ÷ 2,5) Rmin (IX.25 – 2 trang 158)

Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp được tính theo tiêu chuẩn thể tích tháp nhỏ nhất

Chỉ số hồi lưu càng lớn thì lượng nhiệt tiêu thụ ở đáy tháp càng nhiều, vì phải làm bayhơi lượng hồi lưu này Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp giảm cùng sự tăng của chỉ số hồilưu thì sẽ tăng chi phí chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc Vì vậy cần tiếp cận giátrị thích hợp của chỉ số hồi lưu Bằng phương pháp đồ thị dựa vào quan hệ giữa chỉ số hồi lưu

và số đĩa lý thuyết để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp Để xác định chỉ số hồi lưu thích hợp

ta dùng quan hệ NR = f(R)

Giá trị cực tiểu của đồ thị cho ta Rth vì tại đó thiết bị có kích thước bé nhất nhưng vẫnđảm bảo chế độ làm việc (3 trang 83)

Từ những bản vẽ số đĩa lý thuyết trên , ta thu được bảng số liệu sau:

N(R+1)

R 1.968

44.52

0

Qua đó ta thấy với Rx = 1,968 thì Nlt (Rx+1) là nhỏ nhất = 44,52 hay thể tích tháp nhỏ

nhất Vậy R th = 1,968, N lt = 15 đĩa.

7 Phương trình đường nồng độ làm việc :

Lượng hỗn hợp đầu trên một đơn vị sản phẩm đỉnh :

f = = = 2,19

y = (IX.20 – 2 trang 145)

- y : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi đi từ dưới lên

- x : Nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha lỏng chảy từ đĩa xuống

- Rth : Chỉ số hồi lưu thích hợp

Thay số liệu vào ta được:

d Phương trình đường nồng độ làm việc của đoạn chưng :

y = (IX.23 – 2 trang 158)

Đường kính tháp chưng luyện đĩa lỗ có ống chảy truyền được tính theo công thức sau

- Vtb: lượng hơi trung bình trong tháp (m3/s)

- y : vận tốc hơi (m/s)

- : Khối lượng riêng trung bình của lỏng ( kg/m3)

- gtb: Lượng hơi trung bình đi trong tháp(kg/s)

Vì lượng hơi và lượng lỏng thay đổi theo chiều cao của tháp và khác nhau trong mỗiđoạn nên ta phải tính lượng hơi trung bình cho từng đoạn

1 Đường kính đoạn luyện :

Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện tính gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi

đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp và lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của đoạn luyện :

gtb = (kg/s ) ( IX.91- 2 trang 181)

- gd : Lượng hơi đi ra khỏi đĩa trên cùng của tháp (kg/s)

- g1 : Lượng hơi đi vào đĩa dưới cùng của tháp (kg/s)

- gtb : Lượng hơi trung bình đi trong đoạn luyện (kg/s)

gd = GR + GP = GP ( Rx+1 ) ( IX.92 – 2 trang 181)

- GP : Lượng sản phẩm đỉnh (kg/s) = 1,65 kg/s

- GR: Lượng chất lỏng hồi lưu (kg/s) = GPR = 1,65*1,968 = 3,2472 kg/s

Thay số vào ta có : gd = 1,65*(1,968 +1) = 4,8972 (kg/s).

lượng hơi g1, hàm lượng hơi y1 và lượng lỏng G1 đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện, xácđịnh theo phương trình cân bằng vật liệu và nhiệt lượng:

(*) (IX.93,94,95 - 2 trang 182)

Trong đó :

- y1 : Hàm lượng hơi đi vào đĩa 1 của đoạn luyện (phần khối lượng)

- G1 : Lượng lỏng đối với đĩa thứ nhất của đoạn luyện(kg/s)

- r1 : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa 1(kJ/kg)

- rd : Ẩn nhiệt hóa hơi của hỗn hợp hơi đi ra khỏi đỉnh tháp(kJ/kg)

 x1 = xF = 0,46 phần mol = 0,3 phần khối lượng,

 yd = xP =0,98 phần mol = 0,97 phần khối lượng

Thay vào r1 ta được

r 1 = 345,62y 1 +(1-y 1 )202,55 = 202,55 +143,07y 1 (kJ/kg)

 yd: hàm lượng hơi đi ra khỏi đỉnh tháp phần khối lượng

yd = xp = 0,98 (phần mol) = 0,97 (phần khối lượng)

• Với t0

2 = tP = 46,620C nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 254 ta được:

rCCl4 = 51+ (46,62 - 20) = 49,14 (kcal/kg) = 205,69 (kJ/kg)

rCS2 = 87,6 + (46,62 – 20) = 84 (kcal/kg) = 351,61 (kJ/kg)Thay vào phương trình rd ta được :

r d = 351,61y d + 205,69 (1-y d )=351,61*0,97 +(1 – 0,97)*205,69 = 347,23 (kJ/kg)

Thay các giá trị vào hệ (*) ta được :

Giải hệ ta được kết quả sau:

Thay y1 = 0,476 phần khối lượng vào r1 ta được :

e Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn luyện

kg/m3 [IX.102 – 2 trang 183]

Trong đó:

 (t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn luyện, 0 K.

 y tbA , (1- y tbA ) : Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.

Nồng độ của CS2 lấy theo gia trị trung bình là : ytbA = [2 trang 183]

• Với yđ1 và yc1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đỉnh, phần mol

 = xp = 0,98 phần mol

 = y1 = 0,476 phần khối lượng

Đổi y1 sang nồng độ phần mol : y1 =

Thay số vào ta được :

y1 = = 0,648 (phần mol)

⇒ ytbA = = = 0,814 (phần mol)

Với ytbA = 0,814 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung bình

của pha hơi: tytb = 52,85°C

Khối lượng riêng của pha hơi:

kg/m3

[IX.104a - 2 trang 183]

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/m3)

xA, xB : Khối lượng riêng trung bình lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m3)

atbA : Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2 trong pha lỏng

Ta có: atbA = = 0,635 (phần khối lượng)

xtbA = = 0,72 (phần mol)

: nhiệt độ trung bình của đoạn luyện theo pha lỏng Với xtbL= 0,72 phần mol

Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: to

xtb = 51,20C

• Với t0 = 51,20C Nội suy từ số liệu trong Bảng I.2 – 1 trang 9 ta được:

g Tốc độ hơi đi trong tháp :

Tốc độ giới hạn trên tính theo công thức :

(IX.111 – 2.trang 186)Trong đó: ωgh: tốc độ giới hạn trên (m/s)

ρx: khối lượng riêng pha lỏng (kg/m3)

ρy: khối lượng riêng pha hơi (kg/m3)Tốc độ hơi trong đoạn luyện:

Để tránh tạo bọt ta lấy tốc độ làm việc khoảng (80 ÷ 90 %)ωgh

Ta lấy 80% ⇒ ωlv = 0,8*0,985 = 0,788 (m/s)

h Đường kính đoạn luyện

Lượng hơi trung bình trong đoạn luyện là gtbL = 5,5886 (kg/s)

= 0,788 m/s, ρy =3,385 kg/m3

= 1,63 mQuy chuẩn đường kính đoạn luyện là 1,6 m

Thử lại điều kiện : Ta có :

= 0,833 thỏa mãn ∊ (0,8 ÷ 0,9)

⇒ Tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là: 0,821 m/s

Vậy đường kính đoạn luyện 1,6 m là phù hợp điều kiện

8 Đường kính đoạn chưng.

Được xác định gần đúng bằng trung bình cộng của lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng và đi vàođoạn luyện

1: lượng hơi đi vào đoạn chưng, kg/s

Vì lượng hơi đi ra khỏi đoạn chưng bằng lượng hơi đi vào đoạn luyện g’n=g1 nên

Lượng hơi đi vào đoạn chưng g’1, lượng lỏng G’1 và hàm lượng lỏng x’1 được xác địnhtheo hệ phương trình cân bằng vật liệu và cân bằng nhiệt lượng sau :

(IX.98, 99, 100 – 2.trang 182)Trong đó:

 r’

1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa thứ nhất của đoạn chưng

 r1: ẩn nhiệt hoá hơi của hỗn hợp hơi đi vào đĩa trên cùng của đoạn chưng

Ta có: W = 3,75 kg/s

xw = 0,01 phần mol tương ứng với 0,005 phần khối lượng

y’1 = yw xác định theo đường cân bằng

Bỏ qua giá trị x-y-t = 5-13,2-13,7, ta có:

Với xw = 0,01 phần mol dựa vào BẢNG 1 nội suy ta có yw = 0,024 phần mol

Đổi y’

1 = yw = 0,024 phần mol ra phần khối lượng ta có:

= 0,012 phần khối lượngTheo phần trên đã tính ta có:

Với rCS2, rCCl4: ẩn nhiệt hoá hơi của CS2 và CCl4 ở t0 = tw0 Với xw = 0,01 (phần mol)

dựa vào BẢNG 1 và sử dụng công thức nội suy ta được tw0 = 76,13 0C

Từ t0 = tw0 = 76,13 0C, nội suy theo Bảng I.212 – 1 trang 254 ta được:

rCS2 = 82,2 + (76,13 – 60) = 79,5 kcal/kg = 332,77 kJ/kg

rCCl4 = 48,2 + (76,13 – 60) = 46,63 kcal/kg = 195,18 kJ/kg

⇒ r’

1 = 332,77*0,012 + (1 – 0,012)*195,18 = 196,83 (kJ/kg)

Thay vào hệ phương trình trên ta được:

Giải hệ phương trình trên ta được:

Vậy lượng hơi trung bình đi trong đoạn chưng là

= 7,46 kg/sLượng hơi trung bình trong đoạn chưng là

i Tính khối lượng riêng trung bình của đoạn chưng

kg/m3 [IX.102 – 2 trang 183]

Trong đó:

 (t ytb +273 ): nhiệt độ làm việc trung bình của đoạn chưng, o K.

 y tbA , (1- y tbA ): Nồng độ phần mol của hơi CS 2 và CCl 4 trong đoạn luyện lấy theo giá trị trung bình.

Nồng độ của CS2 lấy theo giá trị trung bình là : ytbA = [2 trang 183]

• Với yđ1 và yc1 : nồng độ làm việc giữa đĩa tiếp liệu và đáy tháp, phần mol

 = yw = 0,024 phần mol

 = y1 = 0,476 phần khối lượng = 0,648 (phần mol)

→ ytbC = = = 0,336 (phần mol)

Với ytbC = 0,336 phần mol Nội suy từ số liệu trong Bảng 1 ta tìm được nhiệt độ trung

bình của pha hơi: tytb = 63,488°C

Khối lượng riêng của pha hơi:

(kg/m3)

 Pha lỏng:

[IX.104a - 2 trang 183]

: Khối lượng riêng trung bình của pha lỏng (kg/ m3)

xA, xB : Khối lượng riêng lỏng của CS2 và CCl4 (kg/m3)

atbA: Phần khối lượng trung bình cấu tử CS2

Ta có: atbC= = = 0,1525 phần khối lượng

xtbC = = 0,235 phần mol

: nhiệt độ trung bình của đoạn chưng theo pha lỏng Với xtbC = 0,235 phần mol

Dựa vào BẢNG 1 và dùng công thức nội suy ta được: to

xtb = 64,450C

• Với t0 = 64,45 0C Nội suy từ số liệu trong Bảng I.2 – 1 trang 9 ta được:

ρxtbCS2 = 1200 + (64,45 – 60) = 1192,2 kg/m3

ρxtbCCl4 = 1517 + (64,45 – 40) = 1506,8 kg/m3Vậy khối lượng riêng trung bình của lỏng trong đoạn luyện là:

k Đường kính đoạn chưng là :

= 1,7 mQuy chuẩn đường kính đoạn chưng là 1,6 m

Thử lại điều kiện:

Ta có: DC = 1,6 =

Tốc độ hơi thực tế đi trong tháp là: 0,8 m/s

Vậy đường kính đoạn chưng 1,6 m là phù hợp điều kiện

Kết luận: Chọn đường kính của toàn tháp là : Dt = 1,6(m)

= (m/s) (VIII.14 - 2 trang 133)Trong đó:

A, B: Hệ số liên hợp kể đến ảnh hưởng của CS2 và CCl4 Tra bảng VIII.6 và VIII.7- 2.trang 133 ta được A = 1, B = 0,94

V, V : Thể tích mol của CS2 và CCl4 (cm/mol)

Tra bảng VIII.2 – 2.trang 127, ta có thể tích nguyên tử của :

C = 14,8; Cl = 24,6; S = 25,6 (cm3/nguyên tử)

Công thức phân tử cacbon disunfua là CS2, của cacbon tetraclorua là CCl4

Với b: là hệ số nhiệt độ(lấy ở 20 C): b =

độ nhớt của dung môi là CCl4 ở 20 C

Khối lượng riêng của dung môi ở 20 C

l Hệ số khuếch tán trong pha hơi.

Hệ số khuếch tán động học của khí CS2 trong khí CCl4 được tính theo công thức:

P: áp suất tuyệt đối của hỗn hợp, P = 1at

T: nhiệt độ tuyệt đối của hỗn hợp, T = t + 273

D: hệ số khuếch tán (m2/s)

 Hệ số khuếch tán trong pha hơi của đoạn chưng: tytbC = 63,448oC ⇒ T=336,448 K

 m1: nồng độ CS2 trong pha hơi

- đoạn chưng: m 1 = y tbC = 0,336 (kmol/kmol)

- đoạn luyện: m 1 = y tbL = 0,814 (kmol/kmol)

 m2: nồng độ CCl4 trong pha hơi, m2 = 1 - m1

 Mhh: trọng lượng phân tử của hỗn hợp khí

- đoạn chưng: M hh = m 1 M CS2 +(1 – m 1 )M CCl4 = 0,336*76 +(1-0,336)*154 = 127,792 (kg/kmol)

- đoạn luyện: M hh = 0,814*76 +(1-0,814)*154 = 90,508 (kg/kmol)

Áp dụng công thức I.20 – 1.trang 86

Hơi tính cho mặt cắt tự do của tháp (m/s)

h : Kích thước dài, chấp nhận h = 1 m

ρ : Khối lượng riêng trung bình của hơi (kg/m)

μ : Độ nhớt trung bình của hơi (Ns/m)

ρ : Khối lượng riêng trung bình của lỏng (kg/m)

D : Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)

p Hệ số cấp khối trong pha hơi

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.42 – 2.trang 164):

Trong đó:

D : Hệ số khuếch tán trong pha hơi (m/s)

Re : Chuẩn số Reynolt đối với pha hơi

⇒ Hệ số cấp khối pha hơi đoạn luyện là:

⇒ Hệ số cấp khối pha hơi đoạn chưng là:

q Hệ số cấp khối trong pha lỏng:

Theo công thức tính cho đĩa lỗ có ống chảy chuyền (IX.44 – 2 trang 165):

Trong đó:

D: Hệ số khuếch tán trung bình trong pha lỏng (m/s)

Prx: chuẩn số Pran đối với pha lỏng

h: Kích thước dài, chấp nhận bằng 1 m

M: Khối lượng mol trung bình của pha lỏng

Đoạn luyện: x = xxtbL= 0.72

⇒M = 0,72*76 + (1 – 0,72)*154 = 97,84 (kg/kmol) = N/kmol = 9,784 N/kmolĐoạn chưng: x = xxtbC = 0,242

⇒M = 0,242*76+(1 – 0,242)*154 = 135,124 (kg/kmol) = N/kmol = 13,5124N/kmol

 Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn luyện là

 Hệ số cấp khối trong pha lỏng đoạn chưng là:

10.Hệ số ch u yển khối, đường cong động học, số đĩa thực tế

Là lượng vật chất chuyển qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị theo thì gian khi hiệu số nồng độ bằng một đơn vị

(IX.33 – 2.trang 162)m: Hệ số phân bố vật chất phụ thuộc vào t, áp suất, nồng độ của các pha

m = tg α =

βx, βy: Hệ số cấp khối của pha lỏng, hơi tính theo một đơn vị diện tích bề mặt làm việccủa đĩa (kmol/m2s)

⇒ Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện:

⇒ Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng:

r Tính đường kính ống chảy chuyền:

(m) (sbt II - trang 122)

• : Lưu lượng lỏng đi trong tháp

Đoạn luyện GtbL = 3,94 kg/sĐoạn chưng: GtbC = 10,16 kg/s

• : Khối lượng riêng trung bình pha lỏng

• z : Số ống chảy chuyền phụ thuộc vào đường kính tháp

1,5m < D < 3m, chọn z = 2

• ω : Tốc độ chất lỏng trong ống chảy truyền, chọn ω = 0,15 (m/s)

 Đường kính ống chảy chuyền trong đoạn luyện:

= 0,11 m

 Đường kính ống chảy truyền trong đoạn chưng:

= 0,17 mQuy chuẩn dchL = 0,1 m; dchC = 0,2 m

Tính ngược lại ta được ωcL = 0,19 m/s, = 0,11 m/s (thỏa mãn

Từ dch ta tính được fchL = = 0,00785 m2

fchC = = 0,0314 m2

Diện tích làm việc của đĩa: f = F – f ch m (2.trang 173)

F : Diện tích mặt cắt ngang của tháp (m): F =

fch : Diện tích mặt cắt ngang các ống chảy truyền m2

m : số ống chảy truyền trên mỗi đĩa, chọn m = 2 vì D = 1,6m

⇒ fL = = 1,99 m2

fC = - 0,0314*2 = 1,95 m2

s Tính số đ ơn vị chuyển khối

myT = (IX.65a- 2.trang 173)

g : Lượng hơi trung bình (kg/s)

Đoạn luyện g = 5,5886 (kg/s) = = 0,057 (kmol/s)

Đoạn chưng g = 7,46 (kg/s) = = 0,055 (kmol/s)

Ky : Hệ số chuyển khối (kmol/ms)

f: Diện tích làm việc của đĩa m2

⇒ Số đơn vị chuyển khối đoạn luyện: m yTL = = 34,9KyL

⇒ Số đơn vị chuyển khối đoạn chưng: m yTC = = 35,45KyC

t Đường cong động học.

Xác định số đĩa thực tế bằng đường cong động học theo các bước sau:

- Vẽ đường cong cân bằng y = f(x) và vẽ đường làm việc của đoạn chưng, luyện với R

- Dựng các đường thẳng vuông góc với Ox, các đường này cắt đường

làm việc tại : A; A; A;…; A và cắt đường cân bằng y = f(x) tại C; C;…; C

- Tại mỗi giá trị của x tìm tg góc nghiêng của đường cân bằng:

m = tgα = (2.trang 173)

- Tính hệ số chuyển khối ứng với mỗi giá trị của x:

Hệ số chuyển khối trong đoạn luyện:

Hệ số chuyển khối trong đoạn chưng:

Phương trình đoạn chưng: y = 1,4x – 0,004

Phương trình đoạn luyện: y = 0,663x + 0,33

Xác định Cy theo công thức Cy = e (IX.64 – 2.trang 172) Với mỗi giá trị của x tươngứng ta có A là điểm thuộc đường làm việc, C là điểm thuộc đường cân bằng và B là điểm

thuộc đường cong động học cần xác định: Tìm đoạn theo công thức:

Vẽ đường cong phụ đi qua các điểm B ( i = 1 ÷ 9)

- Vẽ số bậc nằm giữa đường cong phụ và đường làm việc, số bậc là số đĩa thực tế củatháp

Bảng số liệu vẽ đường cong động học:

Đoạn chưng Đoạn luyện

Số đĩa đoạn chưng: 23 đĩa

Số đĩa đoạn luyện: 17 đĩa

11.Hiệu suất tháp, chiều cao tháp

ŋ = 100% = 100% = 37,5 %

u Chiều cao tháp tính theo công thức:

H = Ntt(Hđ + δ) + (0,8 ÷ 1) (IX.50 – 2.trang 169)Trong đó:

Ntt : Số đĩa thực tế

Hđ : Khoảng cách giữa các đĩa (m) Nội suy theo bảng IX.4a – 2.trang 169

D = 1,6m, D = 1,6m chọn H = H = 450 mm

(0,8 ÷ 1) m: khoảng cách cho phép ở đỉnh và đáy thiết bị

δ: Chiều dày đĩa Chọn δ = 3 mm

- Đường kính: D = 1,6 m

Diện tích đĩa: F = = 2,01 m2

- Diện tích tự do tương đối: ε = 20%

- Chiều cao gờ chảy tràn: h = 60 mm

- Chiều dày đĩa lỗ δ = 3mm

- Khoảng cách giữa các đĩa H = 0,45 m

- Đường kính lỗ d = 3 mm

- Bước lỗ t = 10 mm

Tính chiều dài cửa chảy tràn

Diện tích dành cho ống chảy truyền là 20%

diện tích đĩa, nên ta có phương trình sau:

∆P = N tt ∆P d (N/m2) (IX.135 – 2.trang 194)Trong đó:

∆Pd: Tổng trở lực của một đĩa (N/m2)

∆Pd = ∆P + ∆P + ∆P (N/m) (IX.136 – 2.trang 194)

∆P : Trở lực của đĩa khô (N/m)

∆P : Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt (N/m)

∆P : Trở lực của lớp chất lỏng trên đĩa (trở lực thủy tĩnh) (N/m)

1 Trở lực của đĩa khô

(IX.140 – 2 trang 194)Trong đó:

ξ : Hệ số trở lực tiết diện tự do của lỗ là ε = 20% ⇒ ξ = 1,45

Trở lực đĩa khô đoạn luyện là: = 38,1 N/m2

Trở lực đĩa khô đoạn chưng là: = 41,95 N/m2

13.Trở lực của đĩa do sức căng bề mặt.

Đĩa có đường kính lớn hơn 1mm được tính theo công thức:

N/m2(IX.142 – 2 trang 194)Trong đó:

σ : Sức căng bề mặt của dung dịch trên đĩa (N/m) Có:

σ; σ : Sức căng bề mặt của CS2 và CCl4

Nội suy theo bảng I.242 – 1.trang 300 ta được:

Đoạn luyện: t = 51,20C

= 27,776*10-3 N/m

= 23,28*10-3 N/mĐoạn chưng: t = 64,450C

⇒ Sức căng bề mặt dung dịch đoạn luyện là:

⇒σL = 0,013 N/m

⇒ Sức căng bề mặt dung dịch đoạn chưng là:

⇒σC = 0,012 N/md: Đường kính lỗ (m): theo thông số đã chọn d = 3 mm = 3*10 (m)

⇒ Trở lực do sức căng bề mặt đoạn luyện là:

K: Tỷ số giữa khối lượng riêng của bọt và khối lượng riêng của lỏng không bọt Khitính toán chấp nhận K = 0,5

hc : chiều cao gờ chảy tràn (m)

Lc : chiều dài gờ chảy tràn (m)

m: Hệ số lưu lượng chảy qua gờ chảy tràn

Gx : Lưu lượng lỏng kg/h

Đoạn luyện: Gx = 5,5886 kg/s

= 0,00367 m3/m.s = 13,2 > 5 m3/m.h

⇒ m = 10000Đoạn chưng : GxC = 7,46 kg/s

∆P = ∆P + ∆P + ∆P = 41,95 + 12,3 + 753,9 = 807,79 (N/m)

⇒ ∆P = NttC ∆P = 23*807,79 = 18579,17 (N/m)

⇒ Trở lực toàn tháp là: ∆P = 12141,91 + 18579,17 = 30721,08 (N/m)

Mục đích của việc tính toán cân bằng nhiệt lượng là để xác định lượng hơi đốt cần thiếtkhi đun nóng hỗn hợp đầu, đun bốc hơi ở đáy tháp cũng như xác định lượng nước lạnh cầnthiết cho quá trình ngưng tụ làm lạnh

Chọn nước làm chất tải nhiệt vì nó là nguồn nguyên liệu rẻ tiền, phổ biến trong thiênnhiên và có khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ

1 Tính cân bằng nhiệt trong thiết bị gia nhệt hỗn hợp đầu:

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của thiết bị đun nóng hỗn hợp đầu

Q + Q = Q + Q + Q (J/s) (IX.149 - 2 trang 196)

Trong đó:

Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào (J/s)

Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào (J/s)

Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang ra (J/s)

Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/s)

Q : Nhiệt lượng do mất mát ra môi trường xung quanh (J/s)

Chọn hơi đốt là hơi nước ở áp suất 2 at, có t = 119,62oC (từ bảng I.251 – 1 trang 314)

Trong đó:

D : Lượng hơi đốt (kg/h)

λ : Hàm nhiệt (nhiệt lượng riêng) của hơi đốt (J/s)

θ : Nhiệt độ nước ngưng (C): θ = 119,62C

C : Nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/kg.độ)

r : Ẩn nhiệt hóa hơi của hơi đốt (J/kg), tại t = θ ta có: r = 2208*10(J/kg)

v Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào:

Q = FCt (J/s) (IX.151 - 2 trang 196)

Trong đó:

F: Lượng hỗn hợp đầu (kg/s) Theo đề bài : F = 5,4 kg/s

t : Nhiệt độ đầu của hỗn hợp (C) t = 25C

C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu (J/kg.độ)

Nội suy từ bảng I.153 – 1 trang 171 ta được

CCS2 = 996 + = 1000,75 J/kg.độ

CCCl4 = 863 + = 870,25 J/kg.độNồng độ hỗn hợp đầu: a = a = 30%

t : Nhiệt độ của hỗn hợp đầu sau khi đun nóng (C): t = 57,260C

C : Nhiệt dung riêng của hỗn hợp đầu khi đi ra (J/kg.độ)

Nội suy từ bảng I.153 – 1 trang 171 ta được

CCS2 = 1015 + = 1023,63 J/kg.độ

CCCl4 = 892 + = 917,89 J/kg.độNồng độ hỗn hợp đầu a = 30%

G : Lượng nước ngưng bằng lượng hơi đốt D (kg/s)

y Nhiệt lượng mất ra môi trường xung quanh

Lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh lấy bằng 5% lượng nhiệt tiêu tốn:

Q = 0,05Dr (J/s) (IX.154 – 2 trang 197)

z Lượng hơi đốt cần thiết:

Thay các giá trị đã tính vào phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:

(IX.155 – 2 trang 197)

Phương trình cân bằng nhiệt lượng của tháp chưng luyện :

Q + Q + Q = Q + Q + Q + Q (J/s) (IX.156 – 2 trang 197)

Trong đó:

Q : Nhiệt lượng do hỗn hợp đầu mang vào tháp (J/s)

Q : Nhiệt lượng do hơi đốt mang vào tháp (J/s)

Q : Nhiệt lượng do lượng lỏng hồi lưu mang vào (J/s)

Q : Nhiệt lượng do hơi mang ra ở đỉnh tháp (J/s)

Q : Nhiệt lượng do sản phẩm đáy mang ra (J/s)

Q : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh (J/s)

Q : Nhiệt lượng do nước ngưng mang ra (J/s)